慢性高血圧が正常および自然発症高血圧ラットの大脳皮質ミトコンドリアのエネルギー代謝に及ぼす影響

背景紹介

慢性高血圧は脳血管と脳実質に構造的および機能的な破壊的結果をもたらします。高血圧は脳血管の自動調節機能を損なう（Ferrari & Villa, 2022）だけでなく、急性血栓形成と小梗塞性脳卒中のリスクを高め、慢性的な脳虚血灌流と神経血管カップリングの障害をもたらします（Cortes-Canteli & Iadecola, 2020）。研究によると、自然発症高血圧ラット（SHR）などの高血圧ラットモデルでは、脳の形態と機能に顕著な変化が見られ、例えば脳容積の減少、脳室の拡大、神経細胞数の減少（Tajima et al., 1993）、そして脳虚血の影響を受けやすい（Cipolla et al., 2018）ことが示されています。

論文の出典

本論文はRoberto Federico Villa、Federica FerrariおよびAntonella Goriniによって執筆され、著者らはイタリアのパヴィア大学生物学・生物工学部中枢神経系薬理学および分子医学研究室、パヴィア大学脳・行動科学部に所属しています。論文は2024年第2号の「Neuromolecular Medicine」誌に掲載されました。

研究プロセスと方法

研究対象と実験群

実験対象はWistar Kyoto（WKY）ラットとSHRラットで、6、12、18ヶ月齢に分けられ、各実験群は6〜9匹のラットで構成されました。研究では大脳皮質のミトコンドリアを非シナプスミトコンドリア（FM）とシナプス内ミトコンドリアに分け、さらにシナプス内ミトコンドリアを軽ミトコンドリア（LM）と重ミトコンドリア（HM）に分類しました。

ミトコンドリアの抽出と処理

1. 抽出手順：実験ラットは朝9時にエーテル麻酔後、高用量のカルバミン酸エステル（1.4g/kg体重）注射により安楽死させました。脳組織は冷蔵庫内で急速に冷却し、0.32 Mスクロース、1.0 mM EDTA-K+、10 mM Tris-HCl（pH 7.4）の分離媒体に置かれました。
2. ミトコンドリアの精製：非シナプスミトコンドリアとシナプスミトコンドリアは勾配遠心法で分離し、スクロースとFicoll勾配遠心を用いて高純度のミトコンドリア粒子を得ました。

酵素活性測定

異なるタイプのミトコンドリアで様々な酵素の触媒活性を測定しました： - TCAサイクル酵素：クエン酸シンターゼ（CS）とリンゴ酸脱水素酵素（MDH）。 - 電子伝達鎖（ETC）酵素：複合体I-III（NADH-シトクロムc還元酵素、CCRT）、コハク酸脱水素酵素（複合体II、SDH）、シトクロムc酸化酵素（複合体IV、COX）。 - グルタミン酸代謝関連酵素：グルタミン酸脱水素酵素（GDH）、グルタミン酸-ピルビン酸トランスアミナーゼ（GPT）、グルタミン酸-オキサロ酢酸トランスアミナーゼ（GOT）。

データ統計と分析

実験データはまずBartlett検定で分散の均一性を分析し、その後二元配置等分散分散分析（ANOVA）を用いて各酵素活性のミトコンドリアタイプとラットの年齢間の有意性を評価し、TukeyとDunnettの事後検定で各群の差異を比較しました。統計分析にはStatPlusソフトウェアを使用しました。

研究結果

生理的加齢の影響

生理的加齢過程において、異なる種類のミトコンドリアは異なる酵素活性の変化を示しました： - TCA酵素活性：クエン酸シンターゼはFMで年齢とともに低下、LMで二相性傾向、HMで大幅に低下；リンゴ酸脱水素酵素はFMで上昇、HMで低下。 - ETC酵素活性：複合体I-III活性はFMで上昇、HMで低下；複合体IIはHMで低下。 - グルタミン酸代謝関連酵素：グルタミン酸脱水素酵素はFMでほぼ変化なし、12ヶ月と18ヶ月のLMとHMで低下。

慢性高血圧の加齢への影響

高血圧は異なる年齢段階のラットのミトコンドリア酵素活性に様々な影響を与えました： - 6ヶ月： - TCA酵素活性はほぼ変化なし。 - ETC酵素活性は複雑な代謝解離を示し、FMで複合体I-III活性が低下、HMで複合体II活性が低下、複合体IV活性が上昇。 - グルタミン酸脱水素酵素活性はFMとLMで上昇、グルタミン酸-オキサロ酢酸トランスアミナーゼはLMで上昇。 - 12ヶ月： - TCA酵素とグルタミン酸代謝関連酵素の活性は全体的に上昇、特にHMでの酵素活性が上昇。 - ETC酵素活性は安定傾向を示し、12ヶ月時の適応調整が効果的であることを示唆。 - 18ヶ月： - すべてのミトコンドリアで代謝活性が顕著に低下し、18ヶ月齢のSHRの代謝への影響の重要性を強調。FMとLMの酵素活性が著しく低下。

考察と結論

研究により、HMが最も加齢と高血圧の影響を受けやすいミトコンドリアタイプであることが示されました。この異なるタイプのミトコンドリアを分離する研究方法は、高血圧が異なる時期に脳のエネルギー代謝に与える具体的な影響メカニズムを明らかにし、特に18ヶ月時のすべての代謝経路の活性低下を示しました。この動的な代謝適応過程は、高齢と高血圧の併存疾患に対する薬理学的介入戦略のさらなる研究に新たな視点を提供する可能性があります。研究はまた、ミトコンドリア機能の調節が加齢関連脳疾患治療の潜在的なターゲットになる可能性を提案しています。

この詳細な分析を通じて、高血圧および関連する加齢疾患の基礎研究に理論的サポートを提供するだけでなく、臨床治療設計に新たな視点と方法を提供することができます。